Nghiên cứu các phương pháp thu hoạch tảo Chlorella sorokiniana và Scenedesmus acuminatus nuôi trong nước thải đô thị

SCIENCE TECHNOLOGY<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THU HOẠCH TẢO<br /> CHLORELLA SOROKINIANA VÀ SCENEDESMUS ACUMINATUS<br /> NUÔI TRONG NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ<br /> STUDY ON THE HARVESTING METHODS OF CHLORELLA SOROKINIANA AND SCENEDESMUS ACUMINATUS<br /> CULTURED IN MUNICIPAL WASTEWATER<br /> Phạm Thị Mai1, Đoàn Thị Bích Hòa1, Trần Đăng Thuần1,*,<br /> Nguyễn Thị Hường2, Phạm Thị Mai Hương2, Nguyễn Quang Tùng2<br /> <br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> TÓM TẮT<br /> Trong nước thải đô thị thường<br /> Công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt dùng vi tảo là bền vững, vì tảo tiêu thụ các chất ô nhiễm của carbon<br /> chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ<br /> (CO2, HCO3-, carbon hữu cơ), nitơ, phospho làm dinh dưỡng và ánh sáng mặt trời làm năng lượng để tổng hợp<br /> và vô cơ. Nước thải được thải ra môi<br /> nên sinh khối tảo giàu dinh dưỡng và sản xuất ra oxy. Sinh khối tảo có thể được ứng dụng trong các ngành<br /> công nghiệp khác nhau, dẫn đến làm tăng giá trị cho công nghệ xử lý nước thải dùng vi tảo. Tận thu tảo sau khi trường không qua xử lý, xử lý chưa<br /> nuôi cấy để đạt được nước có chất lượng phù hợp với tiêu chuẩn xả thải là rất quan trọng. Tuy nhiên vì kích đúng quy cách và tích tụ lâu ngày<br /> thước chỉ vài micron (3-12µm), nên công đoạn thu hoạch vi tảo rất khó và tốn kém. Nhiều nghiên cứu chỉ ra trong các nơi tiếp nhận sẽ là một<br /> rằng, thu hoạch vi tảo để thu sinh khối chiếm 20-30% tổng chi phí sản xuất tảo thành phẩm. Kết quả nghiên gánh nặng to lớn đối với môi trường<br /> cứu với hai chủng vi tảo Chlorella sorokiniana và Scenedesmus acuminatus nuôi trong nước thải đô thị cho thấy, [1]. Để đảm bảo nước thải đầu ra<br /> phương pháp keo tụ dùng PACl mang lại hiệu suất thu hoạch cao (trên 94%), nhanh, rẻ và dễ áp dụng. Nó phù hợp với quy chuẩn môi trường<br /> hoàn toàn phù hợp để tích hợp thành bước cuối cùng trong công nghệ xử lý nước thải dùng vi tảo. Phương cần phải có các biện pháp xử lý phù<br /> pháp lọc cho hiệu suất thu hoạch trung bình (~60-80%), ly tâm cho hiệu suất cao (trên 95%), nhưng tốn năng hợp. Vi tảo là một tác nhân sinh học<br /> lượng và chỉ phù hợp với thu hoạch tảo sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm. nhận được sự quan tâm rộng rãi của<br /> các nhà nghiên cứu trên thế giới, vì<br /> Từ khoá: Chlorella sorokiniana, Scenedesmus acuminatus, PACl, thu hoạch.<br /> vi tảo có thể sinh trưởng và phát<br /> ABSTRACT triển trong nước thải rất tốt thông<br /> qua tiêu thụ các chất ô nhiễm như<br /> Wastewater treatment technology using micro-algae is sustainable, because the algae consume the<br /> carbon hữu cơ và vô cơ, các hợp<br /> pollutants of carbon (CO2, HCO3-, and organic carbon), nitrogen, phosphorous as nutrients and sunlight as an<br /> chất của nitơ (NH4+, NO3-, NO2-) và<br /> energy to synthesize biomass and produce oxygen. Biomass can be applied in different industries, and it<br /> phốt pho (PO43-) như dinh dưỡng và<br /> increases the value for the algae-based wastewater treatment technology. Harvesting algae after farming to<br /> dùng ánh sáng mặt trời và hấp thụ<br /> achieve water with desirable quality is very important. However because of the size of only a few microns<br /> CO2 thông qua quang hợp để giải<br /> (3-12 µm), the harvesting step is difficult and costly. Many studies show that the microalga biomass harvesting<br /> phóng O2, đồng thời xây dựng nên<br /> is accounted for up to 20-30% of the total cost of production of algae products. Research results with two strains of<br /> algae Chlorella sorokiniana and Scenedesmus acuminatus cultured in urban wastewater suggested that, sinh khối giàu dinh dưỡng (protein,<br /> coagulation/flocculation using PACl is a method achieving high harvesting efficiency (over 94%), fast, cheap and lipids, chlorophyll, carbohydates) [2-<br /> easy to apply. It is perfectly suited to integrate into the final step in wastewater treatment technology using 7]. Vi tảo phát triển nhanh ở các môi<br /> micro-algae. The filtration method gave the average harvesting performance of 60-80%), while centrifugal trường khác nhau và năng suất cao<br /> yielded high performance (of over 95%), but energy consuming and only reasonably application for harvesting hơn thực vật bậc cao. Đặc biệt các<br /> algae biomass used in food industry, cosmetics, and pharmaceutical products. chủng Chlorella và Scenedesmus là<br /> hai loại rất phổ biến trong môi<br /> Keywords: Chlorella sorokiniana, Scenedesmus acuminatus, PACl, harvesting. trường nước ngọt và nước thải như<br /> 1<br /> Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam nước thải đô thị [5]. Chúng có tốc độ<br /> 2<br /> Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội nhân đôi tế bào nhanh và tăng<br /> *<br /> Email: tdangthuan@gmail.com; tdangthuan@ich.vast.vn trưởng sinh khối mạnh, rất phù hợp<br /> Ngày nhận bài: 15/01/2019 cho ứng dụng xử lý nước thải giàu N<br /> và P như nước thải sinh hoạt. Tận<br /> Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 07/5/2019<br /> thu tảo sau khi nuôi cấy để đạt được<br /> Ngày chấp nhận đăng: 10/6/2019<br /> nước có chất lượng phù hợp với tiêu<br /> <br /> <br /> <br /> Số 52.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 79<br />  KHOA HỌC CÔNG NGHỆ<br /> <br /> chuẩn xả thải là rất quan trọng. Mặt khác vì sinh khối tảo mục 2.1 được cấy vào bình phản ứng. Ánh sáng chiếu vào<br /> giàu dinh dưỡng, nên thu hoạch tảo sẽ tạo ra sinh khối bình phản ứng bởi đèn LED có cường độ 1350 LUX. Mẫu<br /> thành phẩm và có thể dùng cho các ngành công nghiệp được lấy 2 ngày một lần để phân tích các chỉ tiêu nước thải<br /> khác sẽ tăng thêm giá trị gia tăng cho ngành xử lý nước và các thông số tăng trưởng của tảo. Tảo được nuôi trong<br /> thải. Tuy nhiên vì kích thước chỉ vài micron (3-12µm), nên nước thải trong vòng 21 ngày nhằm tiêu thụ các chất ô<br /> công đoạn thu hoạch vi tảo rất khó và tốn kém. Nhiều nhiễm carbon, nitơ, phốtpho xuống dưới tiêu chuẩn xả thải<br /> nghiên cứu chỉ ra rằng, thu hoạch vi tảo để thu sinh khối của nước thải đô thị theo QCVN 14:2008 /BTNMT. Sau đó<br /> chiếm 20-30% tổng chi phí sản xuất tảo thành phẩm [8]. tảo được dùng để làm thí nghiệm thu hoạch.<br /> Vì lý do như vậy, nghiên cứu các phương pháp thu 2.4. Nghiên cứu thu hoạch tảo<br /> hoạch tảo Chlorella sorokiniana và Scenedesmus acuminatus 2.4.1. Nghiên cứu thu hoạch sinh khối tảo Chorella<br /> nuôi trong nước thải đô thị được phát triển nhằm đánh giá sorokiniana và Scenedesmus acuminatus bằng phương<br /> hiệu suất thu hoạch cũng như ưu nhược điểm của từng pháp keo tụ hóa học với Poly Aluminium Chloride (PACl)<br /> phương pháp.<br /> i) Ảnh hưởng của nồng độ PACl đến hiệu suất thu<br /> 2. THỰC NGHIỆM hoạch tảo<br /> 2.1. Nguồn tảo giống và nhân giống tảo Tảo sau khi dừng nuôi cấy được dùng để nghiên cứu<br /> Tảo giống bao gồm chủng Chlorella sorokiniana và thu hoạch. Lấy 50mL hỗn hợp tảo nước cho vào cốc thủy<br /> Scenedesmus acuminatus được cung cấp bởi Viện Thủy sinh, tinh 100mL, đo pH và mật độ quang ban đầu, khuấy bằng<br /> Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Cả hai chủng được cục khuấy từ với tốc độ 100 vòng/phút trên máy khuấy từ.<br /> nuôi duy trì trong bình tam giác 100mL chứa 50mL môi Sau đó, hàm lượng PACl được cân với các lượng: 0,01; 0,05;<br /> trường BG-11 tiệt trùng có thành phần hóa học gồm các 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5g, và cho vào khuấy với tảo nước trong<br /> chất có hàm lượng như sau: NaNO3, 1,5g/L; K2HPO4, 0,04g/L; vòng 5 phút. Sau đó hỗn hợp được để lắng 30 phút. Phần<br /> MgSO4.7H2O, 0,075g/L; CaCl2.2H2O, 0,036g/L; Citric acid, nước phía trên tảo lắng được đem đi đo mật độ quang ở<br /> 0,006g/L; Ferric ammonium citrate, 0,006g/L; EDTA bước sóng λ = 686nm. Giá trị bước sóng đo được thay vào<br /> (Ethylene diamine tetraacetic acid), 0,001g/L; Na2CO3, công thức (2) để tính hiệu suất thu hoạch sinh khối tảo. Thí<br /> 0,02g/L; dung dịch vi lượng A5, 1mL/L (dung dịch A5 pha nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng 23 - 25oC.<br /> sẵn gồm các thành phần có hàm lượng: H3BO3, 2,86g/L; ii) Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất thu hoạch tảo<br /> MnCl2.4H2O, 1,81g/L; ZnSO4.7H2O, 0,222g/L; Na2MoO4.2H2O, Tảo sau khi dùng nuôi cấy được dùng để nghiên cứu<br /> 0,39g/L; CuSO4.5H2O, 0,079 g/L; Co(NO3)2.6H2O, 0,0494g/L). thu hoạch. Lấy 50mL hỗn hợp tảo nước cho vào cốc thủy<br /> Tảo được nuôi làm giàu dưới điều kiện nhiệt độ 25oC, ánh tinh 100mL, đo pH ban đầu của hỗn hợp nước tảo, khuấy<br /> sáng nhân tạo dùng đèn LED có cường độ 60µmol/m2/s bằng cục khuấy từ với tốc độ 100 vòng/phút trên máy<br /> trong chu kỳ sáng/tối là 16 giờ/8 giờ và tốc độ lắc là khuấy từ. Sau đó nồng độ PACl được cân với các lượng:<br /> 150rpm trong vòng 7 ngày để đạt OD = 0,4. 0,01; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 gram và cho vào khuấy với<br /> Nhân giống tảo được thực hiện như sau: 10mL tảo tảo nước trong vòng 5 phút. Dùng dung dịch NaOH 1N<br /> Chlorella sorokiniana và Scenedesmus acuminatus từ bình điều chỉnh hỗn hợp tảo nước về các môi trường pH = 8; 9;<br /> giống nuôi duy trì (50mL) được cấy sang bình tam giác 10. Khuấy bằng cục khuấy từ với tốc độ 100 vòng/phút trên<br /> 250mL chứa 200mL BG-11 tiệt trùng, sau đó cố định trên máy khuấy từ, để lắng 30 phút. Phần nước phía trên tảo<br /> máy lắc (150rpm) và nuôi trong vòng 1 tuần dưới điều kiện lắng được đem đi đo mật độ quang ở bước sóng<br /> nhiệt độ, ánh sáng đã trình bày ở phần trên để đạt OD > 0,3 λ = 686nm. Giá trị bước sóng đo được được thay vào công<br /> phục vụ cho các thí nghiệm nuôi tảo trong nước thải. thức (2) để tính hiệu suất thu hoạch sinh khối tảo. Thí<br /> nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng 23 - 25 oC.<br /> 2.2. Nguồn nước thải<br /> iii) Ảnh hưởng của thể tích tảo nước đến hiệu suất thu<br /> Nguồn nước thải sinh hoạt dùng cho nghiên cứu được<br /> hoạch tảo<br /> lấy trực tiếp từ cống thải tại cầu Yên Hòa, nằm trên nhánh<br /> Tảo sau khi dùng nuôi cấy được dùng để nghiên cứu<br /> sông Tô Lịch đi qua phường Nghĩa Tân, Cầu Giấy, TP. Hà<br /> thu hoạch. Lấy hỗn hợp nước tảo với các thể tích lần lượt là<br /> Nội. Nước thải được lấy và đựng trong can 20L và vận<br /> 50mL; 100mL; 200mL; 500mL; 1L; 2L; 3L; 6L cho vào cốc<br /> chuyển về phòng thí nghiệm Hóa sinh Môi trường, Viện<br /> thủy tinh và bình chứa tảo, đo pH và mật độ quang ban<br /> Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam,<br /> đầu, khuấy bằng cục khuấy từ với tốc độ 100 vòng/phút<br /> sau đó tiến hành lọc để loại bỏ rác, hạt lơ lửng trước khi<br /> trên máy khuấy từ. Sau đó nồng độ PACl được thêm vào<br /> tiến hành các thí nghiệm.<br /> các bình với các thể tích khác nhau cùng một lượng 0,01g<br /> 2.3. Nuôi tảo trong nước thải và cho vào khuấy với tảo nước trong vòng 5 phút. Sau đó,<br /> Nước thải được lọc qua giấy lọc để loại bỏ rác và cặn hỗn hợp được để lắng 30 phút. Phần nước phía trên tảo<br /> rắn, sau đó nước được đưa vào bình phản ứng 3L (không lắng được đem đi đo mật độ quang ở bước sóng<br /> tiệt trùng). Nối đầu sục khí và điều chỉnh tốc độ sục khí phù λ = 686nm. Giá trị bước sóng đo được được thay vào công<br /> hợp, các điều kiện về ánh sáng và nhiệt độ tương tự như ở thức (2) để tính hiệu suất thu hoạch sinh khối tảo. Thí<br /> nhân giống tảo. Sau đó 200mL tảo giống (OD > 0,3) nuôi ở nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng 23 - 25oC.<br /> <br /> <br /> <br /> 80 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 52.2019<br />  SCIENCE TECHNOLOGY<br /> <br /> iv) Ảnh hưởng của thời gian lắng đến hiệu suất thu OD0  OD t<br /> hoạch tảo E thu hoach   100 (2)<br /> OD0<br /> Tảo sau khi dừng nuôi cấy được dùng để nghiên cứu<br /> Trong đó:<br /> thu hoạch. Lấy 50mL hỗn hợp tảo nước cho vào cốc thủy<br /> OD0: Mật độ quang đo của hỗn hợp tảo nước trước khi<br /> tinh 100mL, đo pH và mật độ quang ban đầu, khuấy bằng<br /> cục khuấy từ với tốc độ 100 vòng/phút trên máy khuấy từ. thu hoạch (Abs).<br /> Sau đó lượng PACl được cân với các lượngbằng nhau 0,01g ODt: Mật độ quang đo của hỗn hợp tảo nước sau khi tảo<br /> và cho vào khuấy với tảo nước trong vòng 5 phút. Sau đó lắng (Abs).<br /> hỗn hợp được để lắng trong các khoảng thời gian 10, 15, 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> 30, 45, 60 phút. Phần nước phía trên tảo lắng sau mỗi 3.1. Thu hoạch Chlorella sorokiniana và Scenedesmus<br /> khoảng thời gian lắng được đem đi đo mật độ quang ở acuminatus bằng phương pháp keo tụ hóa học với poly<br /> bước sóng λ = 686nm. Giá trị bước sóng đo được được thay aluminium chloride (PACl)<br /> vào công thức (2) để tính hiệu suất thu hoạch sinh khối tảo.<br /> Thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng 23 - 25oC. 3.1.1. Ảnh hưởng bởi nồng độ PACl đến hiệu suất thu<br /> hoạch tảo<br /> 2.4.2. Nghiên cứu thu hoạch sinh khối tảo Chorella<br /> sorokiniana và Scenedesmus acuminatus bằng phương Thí nghiệm keo tụ Chlorella sorokiniana và Scenedesmus<br /> pháp lọc acuminatus được thể hiện như trong hình 1. Nồng độ chất<br /> keo tụ là một yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu<br /> Tảo sau khi dừng nuôi cấy được dùng để nghiên cứu suất keo tụ tảo của PACl. Với nồng độ PACl thấp, hiệu suất<br /> thu hoạch. Lấy 50mL hỗn hợp tảo nước cho vào cốc thủy keo tụ không đạt yêu cầu, nhưng nếu thêm PACl với nồng<br /> tinh 100mL, đo pH và mật độ quang ban đầu. Chuẩn bị giấy<br /> độ cao quá, quá trình keo tụ sẽ không hình thành. Thông<br /> lọc có kích thước lỗ lọc 1 - 3µm đem sấy trong 1h ở nhiệt độ<br /> thường, có một giá trị nồng độ PACl nào đó tại đó hiệu suất<br /> 105oC sau đó đem đi cân xác định khối lượng giấy lọc ban<br /> thu hoạch là cao nhất.<br /> đầu. Lắp đặt thiết bị lọc, máy hút chân không và bắt đầu lọc<br /> tảo. Phân sinh khối tảo được giữ lại trên bề mặt giấy lọc<br /> đem đi cân để xác định được độ ẩm, sau đó được đem đi<br /> sấy trong tủ sấy ở 80oC trong vòng 24h. Phần nước được<br /> tách ra khỏi hỗn hợp tảo nước sau khi lọc được đem đi đo<br /> mật độ quang ở bước sóng λ = 686nm. Giá trị bước sóng đo<br /> được được thay vào công thức (2) để tính hiệu suất thu<br /> hoạch sinh khối tảo. Thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ<br /> phòng 23 - 25oC.<br /> 2.4.3. Nghiên cứu thu hoạch sinh khối tảo Chorella (A)<br /> sorokiniana và Scenedesmus acuminatus bằng phương  <br /> pháp ly tâm pH = 8 pH = 9 pH = 10<br /> Tảo sau khi dừng nuôi cấy được dùng để nghiên cứu thu<br /> hoạch. Lấy 45mL vào trong ống ly tâm ống Falcon 50mL, cho<br /> ly tâm trong thời gian 5; 10 phút, tốc độ ly tâm 5000; 9000<br /> vòng/phút. Sau khi li tâm, lấy ống ly tâm ra, đem phần nước<br /> phía trên tảo lắng đi đo mật độ quang ở bước sóng sóng<br /> λ = 686nm. Giá trị bước sóng đo được được thay vào công<br /> thức (2) để tính hiệu suất thu hoạch sinh khối tảo. Thí<br /> nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng 23 - 25oC.<br /> 2.5. Phương pháp phân tích thu hoạch tảo (B)<br />  <br /> Hiệu suất thu hoạch tảo được tính theo công thức sau: Hình 1. Keo tụ của Chlorella sorokiniana (A) và Scenedesmus acuminatus (B)<br /> C  Ct dùng PACl. Thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ phòng 23 - 25oC, với thể tích<br /> E thu hoach  0  100 (1)<br /> C0 làm việc là 50mL<br /> Trong đó: Số liệu biểu thị ở hình 2 cho thấy nồng độ PACl ở<br /> 0,01g/50mL cho hiệu suất thu hoạch Chlorella sorokiniana<br /> C0: Nồng độ sinh khối tảo trong hỗn hợp tảo nước trước<br /> và Scenedemus acuminatus tương ứng là 98,66% và 20,65%.<br /> khi thu hoạch (g/L).<br /> Khi tăng nồng độ PACl lên 0,05g/50mL thì hiêu suất thu<br /> Ct: Nồng độ sinh khối tảo trong hỗn hợp tảo nước sau hoạch Chlorella sorokiniana giảm xuống 94,56%, trong khi<br /> khi thu hoạch (g/L). đó hiệu suất thu hoạch Scenedesmus acuminatus tăng lên<br /> Vì nồng độ sinh khối tảo tỷ lệ với độ hấp thụ quang nên 73,95%. Đáng chú ý là khi tăng thêm hàm lượng PACl từ<br /> công thức (1) được tính theo công thức tương đương sau: 0,1 - 0,5g/50mL thì hỗn hợp tảo nước trở nên đục hơn, dẫn<br /> <br /> <br /> <br /> Số 52.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 81<br />  KHOA HỌC CÔNG NGHỆ<br /> <br /> đến hiệu suất thu hoạch tính theo công thức (2) là âm. Kết Theo kết quả tóm tắt trong bảng 1, hiệu suất thu hoạch<br /> quả thí nghiệm thể hiện, đối với thu hoạch Chlorella của Scenedesmus acuminatus, tăng lên tối đa là 93,99% tại<br /> sorokiniana thì nồng độ PACl tối ưu là 0,01g/50mL tảo pH = 8 (điều chỉnh với HCl 1N), và giảm xuống 93,05% và<br /> (Cho hỗn hợp tảo nước có OD tương đương với từ 1,6 - 1,7; 86,23% tại các pH tương ứng là 9 và 10 (điều chỉnh với<br /> pH = 7,12 ). Còn đối với Scenedesmus acuminatus thì nồng NaOH 1N), nhưng vẫn cao hơn 73,95% khi thu hoạch<br /> độ PACl hợp lý là 0,05g/50 mL (trong hỗn hợp tảo nước có Scenedesmus acuminatus ở pH = 8,461 (pH môi trường nuôi<br /> OD tương đương với 1,4 - 1,8 và pH = 8,461). tại thời điểm thu hoạch không có sự điều chỉnh).<br /> 3.1.3. Ảnh hưởng của thể tích tảo nước đối với hiệu<br /> suất thu hoạch tảo<br /> Trong thí nghiệm này, thể tích tảo nước được thay đổi<br /> từ 50 - 1000mL và PACl được thêm vào với lượng như nhau<br /> là 0,01g đối với Chlorella sorokiniana và 0,05 g đối với<br /> Scenedesmus acuminatus, đồng thời thực hiện thay đổi giá<br /> trị pH của Scenedesmus acuminatus về 8. Quá trình keo tụ<br /> sau đó được thực hiện như đã trình bày ở các phần trên.<br /> Số liệu biểu thị ở hình 3 cho thấy, trong khi lượng PACl<br /> thêm vào hỗn hợp tảo nước là không thay đổi, thì khi thể<br /> tích tảo nước tăng hiệu suất thu hoạch Chlorella<br /> sorokiniana và Scenedesmus acuminatus liên tục giảm. Đối<br /> Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ PACl đến hiệu suất thu hoạch Chlorella với Chlorella sorokiniana, hiệu suất thu hoạch giảm từ<br /> sorokiniana và Scenedesmus acuminatus. Thí nghiệm được tiến hành trong điều 98,66% xuống 65,67% khi thêm cùng lượng 0,01g PACl vào<br /> kiện Chlorella OD0= 1,637; pH = 7,12; thời gian lắng là 30 phút; thể tích nước tảo<br /> thể tích tảo nước tăng từ tương ứng 50 đến 1000mL. Đối<br /> là 50 mL; Scenedesmus acuminatus OD0 =1,482; pH = 8,461; thời gian lắng là 30<br /> với Scenedesmus acuminatus, tốc độ giảm của hiệu suất thu<br /> phút; thể tích nước tảo là 50mL. pH không hiệu chỉnh trong thí nghiệm với cả hai<br /> hoạch mạnh hơn từ 93,99% đến 6,07% khi dùng 0,05g PACl<br /> loại tảo<br /> thêm vào cùng dải thể tích tảo nước. Như vậy có thể thấy,<br /> 3.1.2. Ảnh hưởng pH đối với hiệu suất thu hoạch tảo nồng độ PACl và pH tối ưu cho thu hoạch Chlorella<br /> Số liệu trình bày ở mục 3.1.1 cho thấy, Chlorella sorokiniana và Scenedesmus acuminatus tương ứng là<br /> sorokiniana có thể được thu hoạch với hiệu suất rất cao tại 0,01g/50mL, pH tự nhiên và 0,05g/50mL, pH = 8.<br /> pH tự nhiên sau khi kết thúc quá trình nuôi cấy tảo mà<br /> không cần phải điều chỉnh. Điều thuận lợi này giúp giảm<br /> giá thành do không cần bổ sung chất điều chỉnh pH (NaOH<br /> hoặc HCl). Do vậy, nghiên cứu về ảnh hưởng của pH đối với<br /> hiệu suất thu hoạch Chlorella sorokiniana là không cần<br /> thiết. Mặt khác, đối với Scenedesmus acuminatus, nếu dùng<br /> luôn pH tự nhiên (pH = 8,461) sau khi nuôi cấy Scenedesmus<br /> acuminatus, thì hiệu suất thu hoạch tối đa đối với<br /> Scenedesmus acuminatus chỉ đạt 73,95% ở nồng độ PACl là<br /> 0,05g/50mL.<br /> Để nâng cao hiệu suất thu hoạch Scenedesmus<br /> acuminatus, việc điều chỉnh pH là rất cần thiết giúp quá<br /> trình keo tụ Scenedesmus acuminatus với PACl tăng lên. Thí<br /> nghiệm được mô tả như trên hình 1-B và kết quả thí<br /> nghiệm được trình bày ở bảng 1.<br /> Hình 3. Ảnh hưởng của thể tích tảo nước đối với hiệu suất thu hoạch<br /> Bảng 1. Ảnh hưởng của pH đối với hiệu suất thu hoạch Scenedesmus Chlorella sorokiniana và Scenedesmus acuminatus<br /> acuminatus<br /> 3.1.4. Ảnh hưởng thời gian lắng đối với hiệu suất thu<br /> Nồng hoạch tảo<br /> Thể Thời Thời<br /> độ Nhiệt Hiệu<br /> tích gian gian Thời gian lắng cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng<br /> STT PACl pH độ OD0 ODt suất<br /> tảo khuấy lắng đến hiệu suất lắng của tảo. Nó là yếu tố gián tiếp ảnh<br /> (g/50 (oC) (%)<br /> hưởng của tốc độ lắng sau khi keo tụ với PACl. Sau khi PACl<br /> (mL) (phút) (phút)<br /> mL) được thêm vào hỗn hợp tảo nước, tế bào tảo sẽ tương tác<br /> 1 0,05 50 8 23 - 25 5 30 1,482 0,089 93,99 với các ion Al3+ thủy phân từ PACl và kết thành các bông lớn<br /> 2 0,05 50 9 23 - 25 5 30 1,482 0,103 93,05 có khối lượng riêng lớn hơn nước và gây ra quá trình lắng<br /> 3 0,05 50 10 23 - 25 5 30 1,482 0,204 86,23 (hình 4). Quá trình kết bông càng nhanh, bông càng lớn thì<br /> tốc độ lắng càng nhanh.<br /> <br /> <br /> <br /> 82 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 52.2019<br />  SCIENCE TECHNOLOGY<br /> <br /> 3.2. Thu hoạch Chlorella sorokiniana và Scenedesmus<br /> acuminatus bằng phương pháp lọc<br /> Phương pháp lọc thu hoạch tảo Chlorella sorokiniana và<br /> Scenedesmus acuminatus được thí nghiệm với các thể tích<br /> tảo nước là 50, 100, 500mL. Kết quả trình bày trên hình 7<br /> cho thấy, hiệu suất thu hoạch của Chlorella sorokiniana và<br /> Scenedesmus acuminatus đạt tương ứng là 63% và 85% đối<br /> Hình 4. Quá trình keo tụ và lắng của tảo Chlorella sorokiniana bởi PACl với thể tích tảo nước dùng nghiên cứu là 50 - 500mL. Hiệu<br /> suất thu hoạch Scenedesmus acuminatus cao hơn Chlorella<br /> sorokiniana là do kích thước tế bào tảo Scenedesmus<br /> acuminatus (10µm) lớn hơn Chlorella sorokiniana (2 - 4µm).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Ảnh hưởng của thời gian lắng đối với hiệu suất thu hoạch tảo<br /> Kết quả trình bày trên hình 5 cho thấy, thời gian lắng tối<br /> ưu cho Chlorella sorokiniana và Scenedesmus acuminatus đều<br /> là 30 phút sau khi keo tụ với PACl. Nếu giảm thời gian xuống Hình 7. Hiệu suất thu hoạch Chlorella sorokiniana và Scenedesmus<br /> 10 hoặc 20 phút, hiệu suất thu hoạch giảm xuống giá trị acuminatus bằng phương pháp lọc. Thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện<br /> tương ứng là 90,53 và 91,88% đối với Chlorella sorokiniana và Chlorella OD0 = 1,637; pH = 7,12; thời gian lọc là 2 - 5 phút; thể tích nước tảo từ<br /> 64,71 và 91,57% đối với Scenedesmus acuminatus. Tăng thêm 50 - 500mL; Scenedesmus acuminatus OD0 =1,482; pH = 8,461; thời gian lọc là<br /> thời gian lắng từ 45 đến 60 phút, hiệu suất thu hoạch 2 - 5 phút; thể tích nước tảo từ 50 - 500mL<br /> Chlorella sorokiniana và Scenedesmus acuminatus dao động ở Hiệu suất thu hoạch tảo Chlorella sorokiniana và<br /> khoảng tối đa tương ứng là 98,66 và 93,99%. Scenedesmus acuminatus bằng phương pháp lọc thấp hơn<br /> Một thí nghiệm khác được tiến hành nhằm xác nhận lại so với phương pháp keo tụ với PACl là do hỗn hợp tảo nước<br /> nồng độ, pH và thời gian lắng tối ưu cho thu hoạch tảo với có chứa vô số tế bào tảo có kích thước trung bình 2 - 3µm,<br /> PACl. Số liệu được thể hiện như trên hình 6. dễ dàng lọt qua lỗ lọc và chỉ được tận thu được khi keo tụ<br /> với PACl tạo thành các bông lớn và lắng xuống.<br /> 3.3. Thu hoạch Chlorella sorokiniana và Scenedesmus<br /> acuminatus bằng phương pháp ly tâm<br /> Ly tâm là phương pháp vật lý cổ điển phổ biến nhất để<br /> thu hoạch các sản phẩm sinh học có kích thước bé micron.<br /> Vi tảo rất thích hợp với phương pháp thu hoạch này. Tuy<br /> nhiên vận hành máy ly tâm thường rất tốn kém và thể tích<br /> làm việc thường là nhỏ, nên ly tâm chủ yếu chỉ dùng trong<br /> nghiên cứu ở phòng thí nghiệm.<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Hiệu suất thu hoạch Chlorella sorokiniana và Scenedesmus<br /> acuminatus tại điều kiện tối ưu. Nồng độ PACl 0,01g/50mL, pH tự nhiên của tảo<br /> nước và 30 phút lắng đối với Chlorella sorokiniana; nồng độ PACl 0,05g/50mL,<br /> pH = 8 và 30 phút lắng đối với Scenedemus acuminatus<br /> Kết quả cho thấy, hiệu suất thu hoạch Chlorella<br /> sorokiniana ổn định ở khoảng 99% tại nồng độ PACl<br /> 0,01g/50mL, pH tự nhiên của tảo nước và 30 phút lắng.<br /> Trong khi đó với nồng độ PACl 0,05g/50mL, pH = 8 của tảo Hình 8. Qui trình thu hoạch tảo bằng máy ly tâm. (A) tảo nước sau kết thúc<br /> nước và 30 phút lắng, hiệu suất thu hoạch Scenedemus quá trình nuôi cấy, (B) tảo được đong vào ống ly tâm Falcon 50mL và đặt vào<br /> acuminatus ổn định ở khoảng 94%. khay rotor ly tâm, (C) tảo lắng xuống đáy ống ly tâm sau khi ly tâm<br /> <br /> <br /> <br /> Số 52.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 83<br />  KHOA HỌC CÔNG NGHỆ<br /> <br /> Tốc độ lắng của tảo bằng phương pháp ly tâm phụ PACl Scenedesmus<br /> thuộc vào tốc độ và thời gian ly tâm. bảng 2 và 3 trình bày PACl = 50 g 94 Rất nhỏ<br /> acuminatus<br /> số liệu hiệu suất thu hoạch Chlorella sorokiniana và Chlorella Màng lọc<br /> Scenedesmus acuminatus trong trong hai điều kiện tốc độ Lọc với 60 ~1,1<br /> sorokiniana 30cm<br /> và thời gian ly tâm tương ứng là 5; 10 phút và 5000; 9000 màng lọc<br /> 30 cm Scenedesmus Màng lọc<br /> vòng/phút. Kết quả cho thấy, tốc độ ly tâm thay đổi từ 5000 80 ~1,1<br /> acuminatus 30cm<br /> vòng/phút lên 9000 vòng/phút, hoặc thời gian ly tâm đặt ở<br /> mức 5 hoặc 10 phút không làm ảnh hưởng nhiều đến hiệu Ly tâm với Chlorella<br /> Không >50 >95 ~1,7<br /> suất thu hoạch Chlorella sorokiniana, với giá trị chỉ dao máy ly tâm sorokiniana<br /> động trong khoảng 96,88 - 99,21% (bảng 2). Tương tự như Continent Scenedesmus<br /> 512R Plus Không >50 >95 ~1,7<br /> vậy, hiệu suất thu hoạch Scenedesmus acuminatus dao acuminatus<br /> động trong khoảng 97,17 - 99,19% (bảng 3). Như vậy, mặc dù chưa thể tính toán hết các chi phí kinh<br /> Bảng 2. Hiệu suất thu hoạch tảo Chlorella sorokiniana bằng phương pháp ly tâm tế. Tuy nhiên qua các thông tin liệt kê ở bảng 4 và 5 cho<br /> thấy, phương pháp keo tụ với PACl thu hoạch tảo là rẻ nhất,<br /> Thể Thời<br /> Nhiệt Tốc độ ly gian Hiệu hiệu suất cao và thời gian thu hoạch nhanh. Phương pháp<br /> tích<br /> STT pH độ tâm OD 0 OD t suất ly tâm cho hiệu suất cao nhưng tốn năng lượng và khó áp<br /> tảo ly tâm<br /> (oC) (vòng/phút) (%) dụng đối với lượng tảo nước lớn. Còn phương pháp lọc,<br /> (mL) (phút) hiệu suất thu hoạch trung bình, tốn năng lượng nhưng vẫn<br /> 1 45 7,12 23 – 25 9000 5 1,637 0,023 98,59 có thể áp dụng trong công nghiệp vì có thể lọc liên tục và<br /> 2 45 7,12 23 – 25 9000 10 1,637 0,013 99,21 thay màng lọc khi bị tắc.<br /> 3 45 7,12 23 – 25 5000 5 1,637 0,051 96,88 Bảng 5. Một số thông số khác phục vụ tính toán kinh tế kỹ và kỹ thuật áp<br /> 4 45 7,12 23 – 25 5000 10 1,637 0,024 98,53 dụng cho ba phương pháp keo tụ hóa học với PACl, lọc và ly tâm<br /> OD0: Mật độ quang của hỗn hợp tảo nước đo được trước khi li tâm Hóa chất<br /> Đơn Công ty sản<br /> ODt: Mật độ quang của hỗn hợp tảo nước đo được phần nước phía trên sau /vật liệu Chế độ/công suất Model<br /> giá suất/bán<br /> khi li tâm /máy móc<br /> Bảng 3. Hiệu suất thu hoạch tảo Scenedesmus acuminatus bằng phương Cửa hàng Hóa chất<br /> PACl 25 đ/g - -<br /> pháp ly tâm 25 Hàng Nón, Hà Nội<br /> Thể Thời STECH<br /> Nhiệt Tốc độ ly Hiệu Màng lọc 30 5,000<br /> tích gian ly - - INTERNATIONAL<br /> STT pH độ tâm OD0 ODt suất cm đ/tờ<br /> tảo tâm Co., Ltd, Việt Nam<br /> (oC) (vòng/phút) (%)<br /> (mL) (phút) Máy lọc chân<br /> Dung tích 30 L Jinan Zhennuo<br /> 1 45 8,461 23 - 25 9000 5 1,482 0,027 98,18 không cho<br /> - LG-30 Machinery Co.,<br /> 2 45 8,461 23 - 25 9000 10 1,482 0,012 99,19 màng lọc Công suất: 1,1 KW Ltd., Trung Quốc<br /> 30 cm<br /> 3 45 8,461 23 - 25 5000 5 1,482 0,042 97,17<br /> Loại 6 ống ly tâm (1L)<br /> 4 45 8,461 23 - 25 5000 10 1,482 0,025 98,31 Máy ly tâm BP Integrated<br /> Tốc độ: 5000 Continent<br /> OD0: Mật độ quang của hỗn hợp tảo nước đo được trước khi li tâm Continent - Technologies, Inc.,<br /> vòng/phút 512R Plus<br /> ODt: Mật độ quang của hỗn hợp tảo nước đo được phần nước phía trên sau 512R Plus Philipin<br /> Công suất: 1,7 KW<br /> khi li tâm<br /> Những phân tích về kết quả thu hoạch hai vi tảo điển<br /> 3.4. Đánh giá hiệu quả và so sánh hiệu suất thu hoạch<br /> hình Chlorella sorokiniana và Scenedesmus acuminatus và<br /> của hai loại tảo Chlorella sorokiniana và Scenedesmus<br /> các yếu tố kinh tế kỹ thuật của các phương pháp thu hoạch<br /> acuminatus<br /> cho thấy, tùy vào mục đích sử dụng sinh khối tảo mà dùng<br /> Nếu đánh giá về các yếu tố kinh tế và kỹ thuật cho từng phương pháp thu hoạch cho phù hợp. Trong công nghệ xử<br /> phương pháp, thì lượng tảo nước cần thu hoạch cố định là lý nước thải, để giảm chi phí đầu tư, thu hoạch tảo cũng<br /> 50L. Yếu tố kỹ thuật và kinh tế được tóm tắt trong bảng 4. nên ứng dụng phương pháp rẻ tiền, dễ áp dụng mà vẫn<br /> Bảng 4. Tổng hợp các thông số kinh tế và kỹ thuật thu hoạch 50L tảo nước thu được hiệu quả thu hoạch cao và nước đạt tiêu chuẩn xả<br /> bằng keo tụ hóa học với PACl, lọc và ly tâm ra môi trường. Keo tụ với PACl là phù hợp cho thu hoạch<br /> Tiêu tốn tảo nuôi trong nước thải, với mục đích sử dụng sinh khối<br /> Hóa Thời Hiệu làm phân bón, hoặc chiết lipids để sản xuất nhiên liệu sinh<br /> Phương gian suất năng<br /> Tảo chất/vật học, hoặc ủ hầm biogas để sản xuất methane.<br /> pháp lượng<br /> liệu (phút) (%) (KW) 4. KẾT LUẬN<br /> Chlorella Hai chủng vi tảo Chlorella sorokiniana và Scenedesmus<br /> Keo tụ với PACl = 10 g 95 Rất nhỏ<br /> sorokiniana acuminatus được nuôi trong nước thải đô thị để loại bỏ các<br /> <br /> <br /> <br /> 84 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 52.2019<br />  SCIENCE TECHNOLOGY<br /> <br /> chất ô nhiễm carbon, nitơ, phốt pho và được thu hoạch [8] Alam M.A, Vandamme D., Chun W., Zhao X., Foubert I., Wang Z., et al.,<br /> dùng hai phương pháp đông keo tụ hóa học với PACl và 2016. Bioflocculation as an innovative harvesting strategy for microalgae. Reviews<br /> vật lý (lọc và ly tâm). Đối với Chlorella sorokiniana, nồng độ in Environmental Science and Bio/Technology 15, 573-583.<br /> PACl tối ưu là 0,01g/50 mL tảo (cho hỗn hợp tảo nước có<br /> OD tương đương với từ 1,6 - 1,7; pH = 7,12 ). Còn đối với<br /> Scenedesmus acuminatus thì nồng độ PACl hợp lý là<br /> 0,05g/5mL (trong hỗn hợp tảo nước có OD tương đương AUTHORS INFORMATION<br /> với 1,4 - 1,8 và pH = 8,461). Với nồng độ PACl đã được xác Pham Thi Mai1, Doan Thi Bich Hoa1, Tran Dang Thuan1,<br /> định, hiệu suất thu hoạch của C. sorokiniana và Nguyen Thi Huong2, Pham Thi Mai Huong2, Nguyen Quang Tung2<br /> S. acuminatus đạt đạt tương ứng là trên 99% và 94% trong 1<br /> Institute of Chemistry, Vietnam Academy of Science and Technology<br /> thời gian lắng là 30 phút. Phương pháp lọc cho hiệu suất 2<br /> Faculty of Chemical Technology, Hanoi University of Industry<br /> thu hoạch Chlorella sorokiniana và Scenedesmus acuminatus<br /> đạt trung bình (60 - 80%), trong khi đó ly tâm cho hiệu suất<br /> cao (trên 95%), nhưng tốn năng lượng và chỉ phù hợp với<br /> thu hoạch tảo sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, mỹ<br /> phẩm, dược phẩm. Như vậy, phương pháp keo tụ dùng<br /> PACl mang lại hiệu suất thu hoạch cao, nhanh, rẻ và dễ áp<br /> dụng. Nó hoàn toàn phù hợp để tích hợp thành bước cuối<br /> cùng trong công nghệ xử lý nước thải dùng vi tảo.<br /> LỜI CẢM ƠN<br /> Nghiên cứu này được tài trợ bởi Học viện Khoa học và<br /> Công nghệ trong đề tài mã số GUST.STS.ĐT2017-ST03.<br /> <br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Lê Văn Cát, 2007. Xử lý nước thải giàu hợp chất Nitơ và Photpho. Nhà xuất<br /> bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Hà Nội.<br /> [2] Li Y., Chen Y.F., Chen P., Min M., Zhou W., Martinez B., et al., 2011.<br /> Characterization of a microalga Chlorella sp. well adapted to highly concentrated<br /> municipal wastewater for nutrient removal and biodiesel production. Bioresource<br /> Technology 102, 5138-5144.<br /> [3] Selvaratnam T., Henkanatte-Gedera S.M., Muppaneni T.,<br /> Nirmalakhandan N., Deng S., Lammers P.J., 2016. Maximizing recovery of energy<br /> and nutrients from urban wastewaters. Energy 104,16-23.<br /> [4] Cai T., Park S.Y., Li Y., 2013. Nutrient recovery from wastewater streams by<br /> microalgae: Status and prospects. Renewable and Sustainable Energy Reviews 19,<br /> 360-369.<br /> [5] González L.E., Cañizares R.O., Baena S., 1997. Efficiency of ammonia and<br /> phosphorus removal from a colombian agroindustrial wastewater by the<br /> microalgae Chlorella vulgaris and Scenedesmus dimorphus. Bioresource<br /> Technology 60, 259-262.<br /> [6] Mulbry W., Kondrad S., Pizarro C., Kebede-Westhead E., 2008. Treatment<br /> of dairy manure effluent using freshwater algae: algal productivity and recovery of<br /> manure nutrients using pilot-scale algal turf scrubbers. Bioresource Technology<br /> 99, 8137-8142.<br /> [7] Park J.B.K., Craggs R.J., Shilton A.N., 2011. Wastewater treatment high<br /> rate algal ponds for biofuel production. Bioresource Technology 102, 35-42.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Số 52.2019 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 85<br />